两种红豆杉植物的愈伤组织培养及褐化抑制
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褐化原因及防止措施褐变是指外植体在培养过程中体内的多酚氧化酶被激活,使细胞里的酚类物质氧化成棕褐色的醌类物质,这种致死性的褐化物不但向外扩散致使培养基逐渐变成褐色,而且还会抑制其他酶的活性,严重影响外植体的脱分化和器官分化,最后变褐而死亡的现象。
在组织培养中,褐变是普遍存在的,这种现象与菌类污染和玻璃化并称为植物组织培养的三大难题。
而控制褐变比控制污染和玻璃化更加困难。
因此,能否有效地控制褐变是某些植物能否组培成功的关键。
(一)褐变的原因影响褐变的因素极其复杂,随着植物种类、基因型、外植体的部位及生理状况等的不同,褐变的程度也有所不同。
1.与基因型有关不同植物与品种之间褐变现象是不同的,有人把此归结为基因型的不同。
一般来说植物材料中单宁类和多种羟酚类化合物的含量高,易引起外植体材料的严重褐化。
多数木本植物比草本植物易引起褐化,多年生草本植物比一年生草本植物易引起褐化。
2.与取样外植体的年龄有关通常幼龄部位产生褐化较轻,随着组织的老龄化含醌类物质增多而褐化加重。
因此,在外植体接种时常需要剥去鳞片和大叶片,尤其是以切取幼嫩的芽尖或切取顶芽分生组织(或带少量叶原基)接种更为理想。
3.与外植体取材时间有关一般在春夏季,尤其是春季采取生长旺盛的外植体产生褐化较轻,已木栓化或木质化的枝条和处于休眠状态的芽作为外植体时褐化严重。
即分生部位接种后形成醌类物质少,而分化的部位则形成醌类物质较多。
4.与培养基有关过高的无机盐浓度会引起棕榈科植物外植体酚的氧化,低盐培养基,尤其是Mn2+和 Cu2+离子浓度较低时,外植体的褐化程度较轻。
例如油棕用MS无机盐培养容易引起外植体的褐变,而用降低了无机盐浓度的改良MS培养基时则可减轻褐变,而且获得愈伤组织和胚状体。
植物生长调节物质使用不当时,材料也容易褐变,细胞分裂素BA有刺激多酚氧化酶活性提高的作用,这一现象在甘蔗的组织培养中十分明显。
培养基的PH值较低时常有利于减轻外植体的褐化。
2016年第6期现代园艺红豆杉()为红豆杉属常绿乔木或灌木,小枝不规则互生,基部有多数或少数宿存的芽鳞,稀全部脱落,冬芽芽鳞覆瓦状排列,背部纵脊明显或不明显。
叶条形,螺旋状着生,基部扭转排成二列,直或镰状,下延生长,上面中脉隆起,下面有2条淡灰色、灰绿色或淡黄色的气孔带,叶内无树脂道。
雌雄异株,球花单生叶腋;雄球花圆球形,有梗,基部具覆瓦状排列的苞片,雄蕊6~14枚,盾状,花药4~9,辐射排列;雌球花几无梗,基部有多数覆瓦状排列的苞片,上端2~3对苞片交叉对生,胚珠直立,单生于总花轴上部侧生短轴之顶端的苞腋,基部托以圆盘状的珠托,受精后珠托发育成肉质、杯状、红色的假种皮。
种子坚果状,当年成熟,生于杯状肉质的假种皮中,稀生于近膜质盘状的种托(即未发育成肉质假种皮的珠托)之上,种脐明显,成熟时肉质假种皮红色,有短梗或几无梗,子叶2枚,发芽时出土。
红豆杉属约11种,分布于北半球,我国有4种1变种。
小陇山林区位于亚热带向暖温带的过渡地带,自然条件优越、气候湿润、物种丰富,区内有许多珍稀濒危树种,如国内分布较少的红豆杉()、连香树()、金钱槭()、庙台槭()等。
红豆杉一般通过种子播种、组织培养、扦插繁殖,组织培养是利用植物细胞的全能性,用红豆杉植株的嫩茎、针叶、树皮、形成层、假种皮、胚等做为外植体进行培养研究。
本试验以红豆杉的成熟种子、顶芽和茎段为材料,诱导愈伤组织的形成及萌发,为进一步研究快速繁殖红豆杉提供理论基础。
1材料与方法1.1材料以小陇山林区红豆杉树种的1年生枝萌发的嫩芽及种子作为外植体。
1.2方法1.2.1诱导培养基。
分别选用1/4MS 、1/2MS 、MS 作为诱导培养基及继代生长培养基。
培养基添加激素种类为NAA (0.2~2.0)、GA (1.0)、KT (0.1~1.0),附加0.1%的活性炭,0.7%~0.8%琼脂和3%的蔗糖,培养基pH 值为5.8。
1.2.2接种。
对带芽茎段和顶芽,先用洗涤剂清洗,自来水流水冲洗1~2h 。
愈伤组织褐化问题:植物外植体组织在接种时的切割面会溢泌一些酚类物质,在接触空气中的氧气后其会氧化为相应的醌类物质,产生可见的茶色、褐色或黑色,此即谓“酚污染”。
根据我个人所做可能有以下原因:1,基本培养基不适合,比如盐浓度太高;2,激素浓度不适合,比太高的话容易造成愈伤组织疏松不结实,甚至水化、褐化;3、培养条件的不适合,比如关照太强,PH值不适合、硬度不够等都有可能引起。
愈伤褐化问题是比较常见的,一般是新接种的比较轻,随着培养时间的延长,在愈伤表面形成较为分散的褐化愈伤,主要是因为随着营养元素和激素消耗分配的前后差异,造成表层细胞生理活性降低所致,当然这个与物种的差异也比较大。
一般解决的办法有:1、冷器械切割接种2、缩短转接时间3、生长素交替使用4、低糖培养5、降低光照强度和时间。
褐变是指外植体在培养过程中体内的多酚氧化酶被激活,使细胞里的酚类物质氧化成棕褐色的醌类物质,这种致死性的褐化物不但向外扩散致使培养基逐渐变成褐色,而且还会抑制其他酶的活性,严重影响外植体的脱分化和器官分化,最后变褐而死亡的现象。
在组织培养中,褐变是普遍存在的,这种现象与菌类污染和玻璃化并称为植物组织培养的三大难题。
而控制褐变比控制污染和玻璃化更加困难。
因此,能否有效地控制褐变是某些植物能否组培成功的关键。
(一)褐变的原因影响褐变的因素极其复杂,随着植物种类、基因型、外植体的部位及生理状况等的不同,褐变的程度也有所不同。
1.与基因型有关不同植物与品种之间褐变现象是不同的,有人把此归结为基因型的不同。
一般来说植物材料中单宁类和多种羟酚类化合物的含量高,易引起外植体材料的严重褐化。
多数木本植物比草本植物易引起褐化,多年生草本植物比一年生草本植物易引起褐化。
2.与取样外植体的年龄有关通常幼龄部位产生褐化较轻,随着组织的老龄化含醌类物质增多而褐化加重。
因此,在外植体接种时常需要剥去鳞片和大叶片,尤其是以切取幼嫩的芽尖或切取顶芽分生组织(或带少量叶原基)接种更为理想。
红豆杉组织培养生产紫杉醇的研究进展李西齐哈尔滨工业大学(威海)山东威海生物工程系(07201)摘要:红豆杉是珍稀药用裸子植物,其内含物紫杉醇对癌症尤其是乳腺癌和卵巢癌有显著治疗效果,但其天然来源物种稀少,濒临灭绝。
实现工业化生产紫杉醇是解决紫杉醇药源需求的最佳途径。
利用红豆杉组织培养技术,在人工环境中对红豆杉组织细胞进行培养,筛选高产紫杉醇细胞系,可以实现大量、连续地生产目的产物紫杉醇。
红豆杉组织培养体系建立是组织培养技术生产紫杉醇中的关键,通过这个阶段对红豆杉组织器官培养,获得稳定生长、增殖的细胞,为筛选高产紫杉醇细胞系建立基础。
从上世纪七八十年代至今许多优秀的研究人员对这一课题进行了不断的探究和创新,在组织培养和提取方法上做了许多的优化。
本文综述了国内外红豆杉属植物组织培养研究方法和最新研究成果,以及紫杉醇生产方法的优化研究,为今后相关的研究和应用工作提供参考借鉴和帮助。
关键字:红豆杉紫杉醇组织培养优化综述引言红豆杉属植物为红豆杉科常绿乔木或灌木,分布于北半球温带至中亚热带地区,全世界共11种,即欧洲红豆杉(T.baccataL.)、短叶红豆杉(T.brevifolia Nutt.)、加拿大红豆杉(T.canadensisMarsh)、佛罗里达红豆杉(T.floridanaChapm.)、杂种紫杉(T.mediaRehd.)、球果红豆杉(T.globose),以及西藏红豆杉(T.wallichiana Zucc.)、东北红豆杉(T.cuspidataSieb.et Zucc.)、云南红豆杉(T.yunna-nensis Cheng et L.k.Fu)、红豆杉[T.chinensis(Pilg)Rehd.]和其变种南方红豆杉(T. chinensis var mairei),后5种在我国有所分布【1】。
而紫杉醇(paclitaxel)是从红豆杉科红豆杉属(Taxus spp.)植物中分离出的具有紫杉烷独特骨架的二萜类成分,由于它对转移性卵巢癌、乳腺癌和非小细胞肺癌等癌症具有很好的疗效,正日益为人们所重视。
植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (3): 259~263259收稿 2012-12-26 修定 2013-02-06资助 国家高技术研究发展计划(“863”计划)子课题(2011AA-10A206)、江苏省农业自主创新资金项目[CX(12)2041]、江苏省苏北发展计划(BN2012078)。
* 通讯作者(E-mail: jswangren@; Tel: 025-********)。
三种抗氧化剂对曼地亚红豆杉愈伤组织褐化及相关物质含量的影响郑超, 徐晟, 夏冰, 郑玉红, 贺佳, 彭峰, 汪仁*江苏省中国科学院植物研究所, 南京210014摘要: 采用不同浓度聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、维生素C (VC)、柠檬酸3种抗氧化剂处理褐化的曼地亚红豆杉愈伤组织, 检测结果表明, 在柠檬酸5 mg·L -1、VC 10 mg·L -1或PVP 5 mg·L -1处理下总酚含量为最低, VC 、柠檬酸处理后总酚含量下降显著, 分别比对照减少77.8%、87.4%, 而PVP 处理后下降不显著; 与愈伤组织褐化相关的多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD), 在PVP 浓度为2.5和10.0 mg·L -1时活性分别达到最低, 与对照相比下降72.6%和97.8%。
相关性分析结果表明, 愈伤组织褐化程度与总酚含量呈显著正相关, 而总酚含量与PPO 、POD 活性则呈负相关。
可见, 抗氧化剂VC 和柠檬酸处理红豆杉愈伤组织, 能有效抑制总酚的积累, 降低其褐化程度。
关键词: 曼地亚红豆杉; 愈伤组织褐化; 总酚含量; POD; PPOEffects of Three Antioxidants on Callus Browning and Its Related Substance Contents in Taxus media RehderZHENG Chao, XU Sheng, XIA Bing, ZHENG Yu-Hong, HE Jia, PENG Feng, WANG Ren *Institute of Botany, Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210014, ChinaAbstract: Different concentrations of polyvinylpyrrolidone (PVP), vitamin C (VC) and citric acid were performed on callus browning of Taxus media . The result showed that the total phenolic content was the lowest at 5 mg·L -1 of citric acid, 10 mg·L -1 of VC or 5 mg·L -1 of PVP. Compared with the control, the total phenolic content was signi fi cantly decreased by 77.8% and 87.4% after treatment with VC and citric acid. Additionally, activities of callus browning-related enzymes PPO and POD were reduced by 72.6% and 97.8% at their lowest levels under treatments with 2.5 and 10.0 mg·L -1 PVP respectively. The correlation analysis among the browning degrees of callus, total phenolic content, PPO and POD activities was also carried out. A signi fi cant positive correlation between total phenolic content and callus browning was found. But total phenolic content was negatively correlated to PPO and POD activities. It indicates that VC and citric acid are more effective to inhibit total phenolic accumulation in T. media callus, and thus reducing callus browning. Key words: Taxus media ; callus browning; total phenolic content; POD; PPO 自在太平洋紫杉中发现紫杉醇(Wani 等1971)以来, 红豆杉的相关研究已成为植物研究领域的一大热点。
红豆杉组织培养技术与方法作者:风印翔文章出自:(1)选材与消毒:取当年生的枝条或带顶芽,或去顶芽的腋芽茎段,剪去叶柄,在自来水下冲洗lO rain,用’70%酒精消毒20 rain,再用无菌水冲洗。
然后浸入O.1%氯化汞溶液中消毒15 rain,反复用无菌水冲洗4次,每次浸泡3 rain。
消毒后的材料,放在无菌滤纸上吸干表面水分,用解剖刀把枝条切成10~15 mm小段。
(2)愈伤组织诱导培养基配制:培养基的基本成分用B,或MS。
1997年中国林科院邱德有利用东北红豆杉叶片愈伤组织开展组培研究,以附加2 mg/L,2.1%~0.15%聚乙烯吡咯烷酮的改良B,培养基上,悬浮培养细胞第3代植板率达20%,并且成本低,大批量生产无性系植株,有望获得突破。
1997年程广有等以:MS培养基为基础,加人不同质量浓度的IBA(吲哚丁酸)和6一BA(6一卡基氨基腺嘌呤,对东北红豆杉茎尖进行组织培养,发现当IBA浓度大时,茎尖容易形成不定根。
当IBA 质量浓度较小时,愈伤组织的形成与新梢生长情况有正相关趋势,但未见不定根发生。
根据以上经验教训,红豆杉组织培养基以B5为基础,多与2.4一D(1.O一3.01 mg/L)或2.4.D与IAA、NAA、KT、6-BA等外源激素组合使用。
其中6.7一V+2%蔗糖+0.7%琼脂,并分别添加IAAl.0 mg/L+2.4一D 1.0:mg/’L+KT 0.1 mg /L,IAA 1.0mg/L+NAA 0.1 mg/’L和KT 0.1 m g/L。
培养基灭菌前pH调至5.8左右,配置好培养基在高温、高压灭菌后接种。
培养温度20~25℃暗培养。
每天光照12 h,光照强度1 200 k,2~3周后即开始形成愈伤组织,红豆杉出愈率89%。
灰白色,随着愈伤组织增大,要及时注意发生褐变,尽量保持较低培养温度,交换培养基转入继代悬浮培养。
(3)抑制愈伤组织褐化。
要在培养基中每升加添0.05—0.1 gVc(抗坏血酸)、0.1 gAC(活性炭)聚乙烯比烙烷酮0.1 g,谷胺酸l/1000 g,肉桂酸15 g和100 mg椰子汁。
植物组织培养中的褐化现象植物组织培养中所说的褐化现象是指在外植体诱导初分化或再分化过程中,自身组织从表面向培养基释放褐色物质以至培养基逐渐变成褐色,外植体也随之进一步变褐而死亡的现象。
褐化现象主要发生在外植体,在植物愈伤组织的继代培养、悬浮细胞培养、花药培养以及原生质体的分离与培养中也经常发生。
褐化产物不仅使外植体、细胞、培养基褐变,而且对许多酶有抑制作用,影响培养材料的生长与分化,严重时甚至导致材料死亡。
褐化、污染和玻璃化并称为植物组织培养的三大难题,且控制褐化比控制污染和玻璃化更加困难,因此,有人认为,褐化能否得到有效控制是植物组织培养能否成功的关键所在。
褐化现象的机理在自然条件下,细胞中的酚和醌之间保持一种动态平衡,醌类物质水平较低。
当细胞受伤或衰老时,酚氧化酶释放或合成,在合适的PH、温度等条件下,酚氧化酶、酚类物质(底物)和氧气聚合发生氧化反应,形成有毒的醌类物质。
当外植体组织被切割和接种时,损伤切面细胞中酚类物质被氧化成醌,切面迅速变成棕褐色或暗褐色,这些褐色物质会逐渐扩散到培养基中,抑制其它酶的活性,毒害整个外植体组织。
影响褐化现象的因素植物组织培养过程中的褐化现象,引起植物材料褐变的因子是复杂的,往往是多种因素共同作用的结果。
培养材料或外植体种类与品种或基因型褐化与植物本身的内在因素有关,不同种类植物、同种植物的不同类型和品种在组织培养中褐变程度有很大差别。
一般来说,多年生木本植物比草本植物容易发生褐变,因为木本植物的单宁或色素含量较高,而酚类的糖苷化合物是木质素、单宁和色素的合成前体,所以易褐变。
外植体的生理状态在组织培养中,培养材料或外植体的褐变是导致培养失败的主要原因,材料本身的生理状态不同,接种后褐变程度也不同。
木质化程度高的外植体会促进褐化的发生。
大量实验表明,材料在培养过程中的褐化程度与多酚氧化酶活性及酚含量有关。
外植体的取材有关植物组织培养中褐变现象的研究已经很多,大量实验表明组织培养中褐变的发生及褐化的严重程度和外植体取材的时期、取材的部位、类型及外植体取材的大小和取材前的预处理有关。
杉木愈伤组织培养中的褐化控制研究陈剑勇【摘要】以杉木茎尖诱导形成的愈伤组织为试验材料,研究维生素C、柠檬酸、半胱氨酸、硫代硫酸钠4种抗氧化剂和活性炭对杉木愈伤组织培养中褐化的影响.结果表明:维生素C和半胱氨酸能有效地控制褐化的发生,且对愈伤组织生长没有明显的抑制作用,是杉木愈伤组织培养较为适宜的抗褐变剂.【期刊名称】《亚热带植物科学》【年(卷),期】2011(040)003【总页数】3页(P47-49)【关键词】杉木;愈伤组织;褐化控制【作者】陈剑勇【作者单位】福建林业职业技术学院,福建南平353000【正文语种】中文【中图分类】Q943.1杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方重要的用材树种之一,具有生长快、材质好、木材纹理通直、加工容易等特性,广泛应用于家具、建筑、造船、器具等方面[1-2]。
目前国内外对杉木组培快繁做了较多的研究,主要是通过以芽繁芽的方式[3-10]。
由于杉木属针叶类树种,采用传统的以芽繁芽方式培育杉木组培苗,容易导致苗木产生偏斜生长的位置效应问题,严重影响杉木优良无性系的造林品质;而通过茎尖愈伤化组培方式培育杉木试管苗,能有效避免位置效应现象的发生[11]。
但是杉木愈伤组织在增殖培养过程中,培养物表面容易发生褐变,从而影响培养材料的增殖与分化。
本研究在前期开展杉木茎尖愈伤化组培快繁研究工作的基础上,系统研究了不同抗氧化剂和活性炭对杉木愈伤组织增殖培养中褐化的影响,为加快杉木愈伤化组培快繁生产提供技术支撑。
1 材料与方法1.1 试材本研究于2008年起在福建林业职业技术学院国家生物技术实训基地组培室进行,以本室培育的杉木愈伤组织作为研究材料。
1.2 试验设计愈伤组织增殖培养采用改良MS(调整N、P、K比例)作为基本培养基,添加一定浓度的吲哚丁酸(IBA)和激动素(KT)等,琼脂0.7%、蔗糖2%,调整pH值5.0~5.2。
将诱导出的愈伤组织团分别接种于附加抗氧化剂(维生素C、柠檬酸、半胱氨酸、硫代硫酸钠)和活性炭的不同处理中。
接收日期:2023 03 12通讯作者:尤小婷(1992—),女,学士,农艺师,主要从事种苗繁育、作物栽培和推广研究,E mail:867333795@qq.com.植物组织培养褐化现象的发生及防治措施尤小婷1,经福林1,张曼其1,覃金转2(1.广东省湛江农垦科学研究所,广东湛江 524086;2.广东农垦热带农业研究院有限公司,广东广州 510506)摘 要:褐化是影响植物组织培养最突出的问题,其严重影响培养物的生长和分化,甚至造成植物死亡。
国内外褐化研究结果显示,褐化发生机制主要是酚类物质积累和氧化引起的氧化褐化,影响因素主要有植物品种和基因型、外植体的生理条件、培养环境、消毒方法及其他组培操作手段等,基于发生机制和影响因素提出的防治措施是选择不易发生褐化的外植体材料、优化培养基成分和培养条件、添加添加剂抑制或减轻褐化程度等。
目前关于褐化发生机制的研究尚不能完全解释氧化褐化,褐化防治措施可以一定程度上控制褐化现象,但可能会对组培其他指标存在不利影响,实践中应根据实际情况筛选控制褐化的方法。
关键词:组培;褐化;发生机制;影响因素;防治措施中图分类号:Q943.1 文献标识码:A文章编号:1008-0457(2024)02-0034-06 国际DOI编码:10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2024.02.005 植物组织培养在保存种质资源、克服杂交不亲和、单倍体育种、基因工程及快速繁殖等方面具有重要意义,被广泛用于农业育种及生产过程中[1]。
褐化是植物组织培养中的三大不利问题之一,且发生机制和影响条件复杂,最常见,但最难解决,主要发生在外植体的初代培养时期,其他时期也常发生,容易导致自身长势不佳甚至死亡。
多项研究显示,褐化会导致植物组织细胞形态结构发生变化,如失绿变色、淀粉粒增多、细胞壁增厚、纤维质结构增加、愈伤组织细胞排列混乱、细胞膜通透性增加、叶片维管束被堵塞等,严重影响组织培养[2 5]。
组织培养方案组员:一、实验目的:1)认识和掌握红豆杉愈伤组织培养的原理、方法和过程;2)锻炼学生的自主实验能力和检验学习效果。
一、实验原理:南方红豆杉是中国特有珍贵树种,集药用、材用与观赏等多种价值于一体南方红豆杉(Taxus chinensis var. mairei)为裸子植物亚门(Cymmospermai)松杉纲(Coniferopside)红豆杉目(Taxales) 红豆杉科(Taxaceae S.F.Gery) 红豆杉属(Taxus Linn.)植物,为中国特有的白垩纪孑遗植物和国家一级保护植物。
南方红豆杉材质细密,木心红色,坚韧耐用,是珍贵的红木树种;其树形挺拔优美,四季常青,秋冬时节红果满枝,是重要的观赏物种;其树皮、枝、叶、根中均含有抗癌活性成分——紫杉醇,更是珍稀的药用植物。
根据文献查得外植体诱导愈伤组织的容易程度为幼嫩茎段>幼叶>花蕾。
二、实验材料:1)MS固体培养基(1L)、6-BA(0.5mg/L )、2,4-D(1.0mg/L )、75%酒精、升汞、无菌水、红豆杉的嫩芽或幼叶等;2)小锥形瓶(30)、牛皮纸、皮筋、陶瓷杯、培养皿、烧杯各若干、移液枪、移液管、移液枪头、接种工具盒(含镊子、手术刀)、超净工作台等。
三、实验步骤1)选择生长健壮、无病虫害的幼嫩茎段作外植体,用自来水冲洗15min ;同时配制含有激素的MS固体培养基(MS+6-BA0.5mg/L+2,4-D1.0mg/L);调节PH至5.6左右;2)将培养基倒入到锥形瓶里,每瓶大概30ml;将接种工具盒、烧杯、锥形瓶(含培养基)、吸水纸、培养皿等放入灭菌锅中灭菌20min;3)待灭菌完毕,冷却后取出,放入超净工作台紫外灭菌;灭菌完毕后,将实验材料纳入工作台,开始准备接种;4)在无菌条件下用75% 酒精消毒30s,再用0.1 % 升汞消毒10min ,无菌水冲洗5次,然后将材料切成0.5cm长的小段供接种用;两人接种,一人处理,一人接入锥形瓶中5)将接种后的材料放到培养室培养,每隔一周观察是否出现愈伤组织和污染情况;根据结果决定是否继代和诱导培养。
植物组织培养中褐变的产生机理及抑制措施陈凯 (河北工程学院农学系,河北邯郸057150)摘要 褐变是植物组织培养中经常遇到的问题,已经成为影响组培成功的重要因素。
结合近几年的研究,对产生褐变的影响因素、产生褐变的机理,以及抑制褐变的措施等方面进行了综合评述。
关键词 植物组织培养;褐变;多酚氧化酶中图分类号 Q943.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2004)05-1034-03M ech anism of M aterial B row ing in P lant Tissue CultureChen K ai (Departm ent of Agriculture,H ebei Institute of Engineering,H andan,H ebei057150)Abstract M aterial browning is a problem m et in plant tissue culture and it is a very im portant factor that can in fluence the success of plant tissue culture.C ombined w ith the recent years’research,the purpose of this article is to summ arize several aspects such as the in fluences and factors and the m echanism and the m easures were researched to overcom e it.K ey w ords Plant tissue culture,Browning,P oly phin ol oxidase 从广义上讲,植物组织培养包括器官、组织以及原生质体等多种离体生活部分的培养。
第45卷 第6期2006年12月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Science )Vol .45No .6Dec .2006 文章编号:042727104(2006)0620702206收稿日期:2006204218基金项目:“十五”’211工程”重点建设项目(生物多样性与区域生态安全)作者简介:李 丽(1981—),女,硕士研究生;联系人王祥荣教授,博士生导师.两种红豆杉植物的愈伤组织培养及褐化抑制李 丽,张湮帆,何 康,樊正球,王祥荣(复旦大学环境科学与工程系,上海 200433)摘 要:在DPS 系统均匀设计的基础上,对曼地亚红豆杉(Taxus m edia )和南方红豆杉(Taxus chinensis var .m airei )的茎和叶进行愈伤组织培养,并探讨愈伤组织褐化的抑制.结果表明:两种植物茎形成愈伤组织能力均强于叶;同一种红豆杉植物愈伤组织诱导率与其直径存在一元线性回归关系;B 5培养基添加0.3mg/L 62BA 和2.9mg/L NAA (曼地亚红豆杉)、0.1mg/L 62BA 和1.7mg/L NAA (南方红豆杉)为最适合愈伤组织诱导和生长的培养基;南方红豆杉茎和叶产生愈伤组织平均时间分别少于曼地亚红豆杉茎和叶,其茎和叶愈伤组织平均直径显著大于曼地亚红豆杉;培养基添加0.01~0.2mg/L 抗坏血酸(Vc )能较为有效抑制愈伤组织褐化.关键词:曼地亚红豆杉;南方红豆杉;组织培养;愈伤组织;褐化中图分类号:Q 946 文献标识码:A 红豆杉属植物含能治疗多种癌症的紫杉醇(paclitaxe )及其类似物[1],近年来受到广泛重视.紫杉醇全球需求量很大,然而各种红豆杉野生资源极为匮乏,已成为紫杉醇药源开发瓶颈.南方红豆杉(Taxuschinensis var .m a irei )又名美丽红豆杉,为国家Ⅰ级保护植物,主要产于我国长江流域、南岭山脉地区及台湾省等地[2].曼地亚红豆杉(T .m ed ia )是母本为东北红豆杉父本为欧洲红豆杉的天然杂交种,目前在北美洲和欧洲有野生和人工种植分布.这两种红豆杉都含有紫杉醇.近年来,国内外学者对南方红豆杉开展的研究主要集中在扦插繁殖和悬浮细胞培养等方面,对愈伤组织培养及褐化控制研究不深[3-7].曼地亚红豆杉的组织培养研究更是不足,国外一些公开发表的论文很少涉及愈伤组织褐化控制,国内对其研究则刚刚起步,近几年才有一些初步探讨性成果公开发表[8].本文通过均匀实验设计,对曼地亚红豆杉和南方红豆杉愈伤组织诱导的重点环节特别是褐化抑制进行了探讨和比较,为进一步利用组培快繁和悬浮培养生产紫杉醇类物质提供理论依据.1 材料和方法1.1 材料与试剂供试植物材料品种分别为4年生曼地亚红豆杉(产自四川省)和2年生南方红豆杉(产自浙江省),于6月份取其茎叶进行实验;B 5为基础培养基,购自美国Sig ma 2A ldrich 公司;植物生长素NAA (naphthalene acetic acid,萘乙酸)和细胞分裂素62BA (62苄基氨基嘌呤),购自美国Phytechnol ogy Laborat ories 公司.1.2 实验方法1.2.1 均匀实验设计为对62BA 和NAA 进行多组浓度搭配以寻求最佳实验效果,同时合理减少实验次数,利用DPS 数据处理系统进行实验方案均匀设计[9].62BA 浓度取0.1~1.9mg/L,NAA 浓度取0.5~3.2mg/L,均分10级.经DPS 软件运算得出均匀设计结果(见表1).1.2.2 愈伤组织诱导和培养剪取两种红豆杉植物嫩茎,流水冲洗30m in 后加入少量洗洁精摇动洗涤10m in;流水冲洗10m in .无 第6期李 丽等:两种红豆杉植物的愈伤组织培养及褐化抑制菌条件下,将茎叶用w (乙醇)=75%浸泡30s,无菌水洗涤3次;置于w (氯化汞)=0.1%溶液中摇动浸泡10m in,无菌水洗涤5次.表1 基于D PS 统计软件建立的均匀设计实验方案Tab .1 Experi m ent unif or m design based on DPS培养基ρ/mg ・L -162BANAA Ⅰ0.9 1.1Ⅱ0.1 1.7Ⅲ 1.5 2.0Ⅳ 1.9 2.6Ⅴ 1.70.8Ⅵ0.7 2.3Ⅶ0.3 2.9Ⅷ0.50.5Ⅸ 1.1 3.2Ⅹ1.31.4 注:以“中心化偏差CD ”作为指标优化结果.本设计中心化偏差为0.05434. 愈伤组织诱导培养基:B 5+蔗糖20g/L +植物凝胶2.9g/L +各浓度NAA 和62BA,pH 5.9~5.95.121℃高温高压灭菌20m in 后冷却凝固.吸去茎叶上水分,将茎和叶切成1c m 小段,接种于不同培养基,每培养基接种5~6个外植体.将接种好的培养基于25℃暗培养.每日记录外植体发育情况,统计初愈时间(初始愈伤组织产生时间);40d 后统计愈伤组织块数,计算愈伤组织诱导率(产生愈伤组织外植体数/接种外植体总数);记录愈伤组织颜色;初愈20d 后测量愈伤组织平均直径(愈伤组织对角长度最大值和最小值的平均值);观察并记录褐化程度.1.2.3 愈伤组织褐化抑制在筛选最佳外植体和NAA 、62BA 配比的基础上,利用愈伤组织培养效果最好的培养基加入不同浓度抗坏血酸(Vc )继代培养,对其褐化抑制效果进行研究.2 结果与分析两种红豆杉茎和叶外植体在B 5培养基上培养均能形成愈伤组织.愈伤组织在各组培养基上的接种数、初愈时间、诱导率和愈伤组织平均直径见表2和图1(见第704页).表2 两种红豆杉植物愈伤组织诱导的接种数及初愈时间Tab .2 I noculating nu mbers and cicatrized days of callus inducti on of T .m edia and T .chinensis var .m airei 培养基接种数/个M.C .M.L.N.C .N.L.初愈时间/dM.C .M.L.N.C .N.L.Ⅰ3540303015311225Ⅱ4040392515301226Ⅲ3245352515291223Ⅳ3638323516291324Ⅴ3137323516311125Ⅵ3435343514301225Ⅶ3645292015301222Ⅷ3545252015321125Ⅸ3540353016311324Ⅹ3845303514301223平均值35.241.032.129.015.130.312.024.2 注:M.为曼地亚红豆杉;N.为南方红豆杉;C .为茎;L.为叶2.1 不同外植体对愈伤组织诱导的影响两种植物茎形成愈伤组织的能力均高于叶(见表2和图1,见第704页).(1)茎的诱导率高.在N.的十种培养基和M.的9种培养基上,茎的愈伤组织诱导率都高于叶;M.C .,M.L.,N.C .和N.L.在10种培养基上愈伤组织诱导率平均值分别为77.5%,56.5%,71.6%和36.0%,利用DPS 软件对诱导率进行Fisher 小样本非参数随机化配对测验,结果显示嫩茎与嫩叶在诱导率上存在极显著差异(M.:p =0.007,N.:p =0.001).(2)茎启动诱导时间早.经检验,M.C .和M.L.,N.C .和N.L.平均初愈时间存在极显著差异(p 均为0.001),M.C 和N.C .平均初愈时间分别为15.1和12.0d,而M.L.和N.L.平均初愈时间分别为30.3和24.2d .这可能是因为茎较叶的组织分化程度低,细胞分裂更加旺盛.307 复旦学报(自然科学版)第45卷 (3)N.C .愈伤组织生长40d 后的平均直径大于N.L.诱导的愈伤组织.经检验,N.C .和N.L.愈伤组织平均直径之间存在显著性差异(p =0.001);虽然M.C .和M.L.愈伤组织平均直径之间不存在显著差异(p =0.092),但测量结果表明前者有比后者大的趋势.图1 两种红豆杉植物茎和叶愈伤组织诱导率(a )及其平均直径(b )Fig .1 I nducti on rati os (a )and callus average dia meters (b )of T .m edia and T .chinensis var .m airei图2 两种红豆杉植物茎(a )(b )和叶(c )(d )愈伤组织诱导率与其平均直径的相关回归Fig .2 Regressi on of callus inducti on rati on and average dia meter of T .m edia and T .chinensis var .m airei2.2 愈伤组织诱导率和其直径之间的关系一般对同一种红豆杉来说,愈伤组织诱导率越大,其平均直径也越大.经相关性检验,M.C .,M.L.,N.C .以及N.L.的愈伤组织诱导率与其平均直径均存在一元线性回归关系,经F 显著性检验,差异有显著性意义(p 均为0.000),因此4个回归方程均有意义.2.3 植物生长素和细胞分裂素对愈伤组织诱导的影响植物组织培养效果受到外界各种因素影响,而植物生长素和细胞分裂素的浓度和配比是最为关键的407 第6期李 丽等:两种红豆杉植物的愈伤组织培养及褐化抑制因素.实验结果表明,当培养基中NAA 和62BA 浓度配比不同时,愈伤组织诱导率和生长情况差异显著.图1显示M.V II 号和N.II 号培养基效果最好,M.C .,M.L.,N.C .和N.L.愈伤组织诱导率分别达100%,84.4%,94.9%和72%;同时,在M.V II 号和N.II 号培养基上愈伤组织平均直径也较大.这表明,培养基添加0.3mg/L 62BA 和2.9mg/L NAA (M.),0.1mg/L 62BA 和1.7mg/L NAA (N.)对启动红豆杉外植体愈伤组织诱导效率最高,同时最有利于愈伤组织生长.此外,62BA 浓度对南方红豆杉愈伤组织诱导和生长的影响可能存在一个阈值.从图2和图3可知,当培养基中62BA 浓度低于1.0mg/L 时(Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号培养基),愈伤组织诱导率高、体积大;而当62BA 浓度高于1.0mg/L 时(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ、Ⅹ号培养基),愈伤组织诱导率低、体积小,相比之下叶比茎对此阈值反应更强烈.这可能说明,当62BA 浓度低于1.0mg/L 时有利于南方红豆杉愈伤组织诱导和生长,而其浓度高于1.0mg/L 时会抑制愈伤组织诱导和生长.对于曼地亚红豆杉则不存在这种明显现象.图3 不同62BA 浓度下两种红豆杉植物茎和叶愈伤组织的诱导率Fig .3 D ifferent results of callus inducti on under different 62BA concentrati ons2.4 两种红豆杉愈伤组织诱导能力对比综合表2和图1,2,经检验两种植物在愈伤组织诱导方面存在一定差异,表现为:1)M.C .和N.C,M.L.和N.L.之间愈伤诱导率无显著性差异;2)N.C 和N.L.产生愈伤组织平均时间分别少于M.C .和M.L.,且具有极显著差异(p 均为0.001);3)N.C .和N.L.愈伤组织平均直径分别大于M.C .和M.L.(p分别为0.001和0.048).2.5 Vc 对愈伤组织褐化的抑制作用褐化是指植物材料在进行组织培养时,外植体、愈伤组织细胞或培养基颜色变深,呈现褐色,一般认为这是由于外植体或愈伤组织细胞分泌的酚类物质被氧化成有色有害物质(主要是醌类)所致[10].褐化会导致细胞活力降低、增殖生长缓慢甚至死亡,严重影响和阻碍组织培养正常进行.李冬杰等[11]曾报道,红豆杉属植物在进行组织培养时,常发生褐化现象,且难以消除.本文发现两种红豆杉植物愈伤组织在培养中极易发生褐化现象,这与已有报道基本相同.在前文筛选最佳外植体和NAA 、62BA 配比的基础上,利用M.V II 号培养基和N.II 号培养基,研究不同浓度Vc 对M.C .和N.C .愈伤组织褐化抑制的效果.图4 不同Vc 浓度作用下两种红豆杉植物愈伤组织平均直径(a )及鲜干比(b )Fig .4 Average dia meters (a )and weight rati os (b )of callus under different Vc concentrati ons507 复旦学报(自然科学版)第45卷 表3 不同Vc浓度对两种红豆杉植物愈伤组织褐化抑制的效果Tab.3 D ifferent results of darkening inhibiti on under different Vc concentrati onsρVc /mg・L21形态和形状M.C N.C颜色M.C N.C未继代松散、团状致密、团状黄棕棕褐0较致密、块状较致密、团状黄绿黄棕0.01较致密、团状松散、团状黄白、黄绿白绿、黄绿0.05较致密、块状松散、团状、表面有多白点黄白、黄绿黄白、黄绿0.1较致密、块状致密、团状黄绿黄绿0.2紧密、附着于外植体上较致密、块状黄棕黄棕0.5紧密、附着于外植体上致密、块状黄棕棕褐1.0紧密、附着于外植体上松散、附着于外植体棕褐黄棕2.0紧密、附着于外植体上松散、附着于外植体黄棕棕褐 从表3和图4(见第705页)可以得出,向培养基中加入0.01,0.05,0.1mg・L-1Vc,在形态形状、颜色、平均直径和鲜干比方面抑制两种植物愈伤组织褐化效果较好.Vc能在一定程度上抑制褐化,可能由于其抑制了促进褐化的多酚氧化酶(PP O)和过氧化物酶(P OD)的活性[12].但当ρVc增至0.2mg・L-1以上,抑制褐化能力明显减弱,可能过多Vc会影响愈伤组织生长,其对褐化的抑制只在一定浓度范围内有效.因此,培养基添加0.01~0.2mg・L-1Vc既能较为有效抑制两种植物愈伤组织褐化,又不对愈伤组织生长产生显著影响.3 讨 论结果表明,两种植物茎形成愈伤组织能力均强于叶;同一种植物愈伤组织诱导率与其直径存在一元线性回归关系;B5培养基添加0.3mg・L-162BA和2.9mg・L-1NAA(M.),0.1mg・L-162BA和1.7 mg・L-1NAA(N.)为最适合愈伤组织诱导和生长的培养基;N.C.和N.L.产生愈伤组织平均时间分别少于M.C.和M.L.,N.C.和N.L.愈伤组织平均直径分别大于M.C.和M.L.;培养基添加0.01~0.2 mg・L-1Vc能较为有效抑制两种植物愈伤组织褐化.本文以初愈时间、诱导率、平均直径和褐化程度为标准来评价愈伤组织生长情况,发现不同浓度NAA 和62BA配比的培养基上收获的同种外植体愈伤组织还存在松软程度不同,特别是ρNAA较高(≥1.0 mg・L-1)而ρ62BA较低(≤0.5mg・L-1)时,愈伤组织细胞松软,在继代培养转移时很容易被破坏.这可能是因为高浓度生长素和低浓度分裂素同时存在导致愈伤组织细胞中含水量过高或细胞壁硬度降低.愈伤组织松软程度和NAA,62BA配比之间的关系及其对后续分化和脱分化产生的影响有待进一步研究.参考文献:[1] Singla A K,Garg A,Aggar wal D,et al.Paclitaxe and its for mulati on[J].International Journal of Phar m aceu2tics,2002,235(122):179.[2] 梅兴国.红豆杉细胞培养生产紫杉醇[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.[3] Yuan Y J,L i C,Hu Z D,et al.A double oxidative burst for taxol p r oducti on in sus pensi on cultures of Taxuschinensis var.m airei induced by oligosaccharide fr om Fusarium oxysprum[J].Enzym 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I nhi biti on i n Tissue Culture ofTaxus ch inensis var.m a irei and Taxus m ediaL IL i,ZHAN G Ya n2fan,HE Kang,FAN Zheng2q i u,WAN G Xi a ng2r o ng(D epart m ent of Environm ental Science and Engineering,Fudan U niversity,Shanghai200433,China)Abstract:Callus inducti on and darkening inhibiti on were studied in tissue culture of Taxus chinensis var.m airei and Taxus m edia based on Unifor m Design.Results indicated that caudex is more effective in callus inducti on than leaf and a linear regressi on relati onshi p exists bet w een callus inducti on rati o and its diameter f or a certain p lant.Culture mediu m B5 with the additi on of62BA0.3mg・L-1and NAA2.9mg・L-1(T.m edia),62BA0.1mg・L-1and NAA1.7mg・L-1 (T.chinensis var.m airei)gave op ti m u m cell inducti on and gr owth.The caudex and leaf of T.chinensis var.m airei in2 duced callus earlier than that of T.m edia on the average.The average callus dia meter of caudex and leaf of T.chinensis var.m airei was bigger than that of T.m edia.An additi on of vitam in C0.01—0.2mg・L-1in culture mediu m was effec2 tive in callus darkening inhibiti on without significant influence on cell gr owth.Keywords:Taxus m edia;Taxus chinensis var.m airei;tissue culture;callus inducti on;darkening inhibiti on。